ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ

Тема 20. Отравление реактора самарием.

297

Smo

При Np = 30% Npном

Smпп	При Np = 60% Npном

Рис. 20.5. Переходные процессы изменения отравления реактора самарием при работе реактора на различных уровнях мощности после длительной стоянки.

Из приведенного графика следует, что реактор тем быстрее возвращается к состоянию стационарного отравления самарием, чем выше уровень мощности, на котором он работает после длительной стоянки: при больших плотностях потока нейтронов избыточный (сверх стационарного) самарий расстреливается нейтронами с большими скоростями.

На высоких уровнях мощности( 70 80%) переходный процесс идёт с «проскоком» уровня стационарного отравления, что объясняется превышением скорости расстрела избыточного самария над скоростью его образования из прометия, который на высоких мощностях в первой половине переходного процесса не успевает накопиться в достаточно большом количестве, чтобы дать скорость распада, близкую к скорости расстрела самария.

20.6. Нестационарное переотравление реактора самарием после перевода реактора на более высокий или более низкий уровень мощности

Казалось бы, вопрос о характере переходного процесса переотравления реактора самарием перед практиком вообще возникать не должен: о каком переотравлении реактора самарием вообще может идти речь, если на протяжении более 90% времени кампании реактор отравлен самарием стационарно, а величина стационарного отравления самарием не зависит от уровня мощности реактора? При этом, казалось бы, после смены уровня мощности реактора его отравление самарием изменяться не должно...

Но дело в том, что динамическое равновесие между образованием и расстрелом самария (свойственное стационарному отравлению) при изменении уровня мощности реактора нарушается: скорость образования самария пропорциональна текущему значению концентрации прометия, а скорость убыли самария пропорциональна текущему значению концентрации самого самария; в итоге получается, что после увеличения мощности реактора (= увеличения Фо) самарий на первом этапе переходного процесса расстреливается интенсивнее, чем образуется, а после уменьшения мощности, наоборот, - в начале переходного процесса расстреливается менее интенсивно, чем образуется (за счёт более высокой в начальный момент концентрации прометия). Потом, когда концентрация прометия увеличивается (или уменьшается, в согласии с увеличением или уменьшением мощности), скорости образования и убыли самария сравниваются, в результате чего текущая концентрация самария достигает минимума (после увеличения мощности) или максимума (после её снижения). На этом первый этап переходного процесса Sm(t) завершается, и после этого начинается монотонное возвращение концентрации самария к стационарному значению.

Иными словами, графики переходных процессов переотравления реактора самарием после изменения уровня мощности формой своей напоминают графики «холмов» и «йодных ям» переотравления реактора ксеноном, но более сильно растянутые во времени.

298	Тема 20. Отравление реактора самарием.

После увеличения мощности - переходный процесс Sm(t) представляет собой плавное отклонение отравления самарием от стационарного значения в сторону уменьшения с последующим плавным возвращением его к стационарному значению.

После уменьшения мощности - процесс переотравления реактора самарием представляет собой плавное отклонение отравления от стационарного значения в сторону увеличения (нечто вроде «прометиевой ямы») с последующим возвращением к исходному стационарному значению отравления.

Качественные графики переходных процессов переотравления реактора самарием после изменения уровня мощности реактора показаны на рис.20.6. Рассматривая эти графики, практик должен задаться вопросом: сколь значительны упомянутые экстремальные отклонения от значения стационарного отравления самарием, и сколь долго продолжаются сами переходные процессы Sm(t)? Потому что, если они значительны, их надо учитывать и в повседневной практике эксплуатации реактора на них нужно реагировать для поддержания требуемого режима работы реактора.

Sm(t)

5

10

15

t, сут

После повышения уровня мощности

Smст

После понижения уровня мощности

Рис. 20.6. Качественный вид переходных процессов переотравления реактора самарием после изменений уровня мощности реактора.

Учитывая тот факт, что упомянутые переходные процессы длятся десятками суток (то есть это очень медленные переходные процессы), а величины отклонений текущих значений самариевых отравлений не очень значительны (не более 0.12% по реактивности), причём эти процессы имеют место в периоды эксплуатации, когда реактор работает на постоянном уровне мощности и контроль за плотностью нейтронного потока в реакторе ведётся непрерывно, эти изменения реактивности вследствие переотравлений реактора самарием опасности не представляют и существенного значения не имеют, а потому в практике эксплуатации реакторов АЭС обычно игнорируются.

Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.

299

Раздел 5.

СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ РЕАКТОРОМ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Тема 21

ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТЕРЖНЯ-ПОГЛОТИТЕЛЯ И ГРУППЫ ПОГЛОТИТЕЛЕЙ

21.1. Действие вводимого в активную зону стержня-поглотителя

Конечно, введение или извлечение любого стержня поглотителя в активную зону в первую очередь изменяет общие поглощающие свойства активной зоны, что приводит к изменению скорости поглощения нейтронов в реакторе. Но этим дело не исчерпывается. Если вспомнить ранее упоминавшее уравнение баланса тепловых нейтронов

dn/dt = (скорость генерации ТН) – (скорость поглощения ТН) – (скорость утечки ТН),

то становится ясно, что, изменяя поглощающие свойства локальной области введения стержня, мы тем самым изменяем не только скорость поглощения тепловых нейтронов в этой области, но и распределение плотности потока тепловых нейтронов

в ней и в активной зоне в целом (рис.21.1). Перераспределение плотности потока тепловых нейтронов по объёму активной зоны и топлива приведёт, разумеется, к

изменению скорости реакции деления, а, значит, и скорости генерации нейтронов.

Перераспределение плотности потока тепловых нейтронов в объёме активной зоны приведёт также к изменениям значений плотности потока тепловых нейтронов на границах активной зоны с отражателем, а, следовательно, изменятся и значения градиента плотности потока тепловых нейтронов на границах активной зоны, что приведёт к изменению скорости утечки тепловых нейтронов из активной зоны. Одним словом, действие перемещаемого по высоте активной зоны стержня-поглотителя

всегда комплексно.

Ф(r) в невозмущённой				Ф(r) после введения стержня-
активной зоне				-поглотителя

0

r

300	Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.

Рис.21.1. Качественный вид перераспределения плотности потока тепловых нейтронов по радиусу активной зоны с введением в неё стержня поглотителя

21.2. Характеристика положения стержня-поглотителя в активной зоне

Положение стержня-поглотителя по высоте активной зоны характеризуется

отстоянием его нижнего конца от плоскости нижнего торца активной зоны. Это отстояние принято выражать либо в см, либо в процентах от высоты активной зоны, и обозначать символом Н (рис.21.2).

ВКВ	ВКВ
	Н
НКВ	НКВ
Рис.21.2. Положение поглотителя в активной зоне и расположение концевых выключателей.

О стержне, полностью погруженном в активную зону на всю его длину, говорят,

что он находится на нижнем концевом выключателе, имея в виду нижний концевой выключатель (НКВ) электрического привода перемещения стержня, отключающего электродвигатель при достижении стержнем крайнего нижнего положения.

Аналогично о стержне, полностью извлечённом из активной зоны, говорят, что он находится на верхнем концевом выключателе (ВКВ).

Концевые выключатели устанавливаются для того, чтобы ограничить интервал перемещения стержня (или группы стержней) по высоте активной зоны. Чаще всего они устанавливаются даже не точно на верхней и нижней границах активной зоны: как правило, ВКВ устанавливается несколько ниже верхнего торца активной зоны, а НКВ

– несколько выше нижнего торца активной зоны. Это связано с тем, что (как нам предстоит убедиться) вблизи крайних положений подвижные поглотители неэффективны. Поэтому у эксплуатационников принято отсчитывать положение стержня-поглотителя не от низа активной зоны, а от нижнего концевого выключателя.

Иначе говоря, плоскость установки НКВ является нулевой позицией, началом отсчёта для измерения положения любого стержня-поглотителя (или группы поглотителей) по высоте активной зоны.

21.3. Понятия об интегральной и дифференциальной эффективности

Интегральной эффективностью подвижного поглотителя в рассматриваемом его положении по высоте активной зоны (Н) называется величина положительной реактивности, сообщаемой реактору при подъёме этого поглотителя от НКВ до этого положения Н.

Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.

301

Величина интегральной эффективности поглотителя обозначается (Н) и в соответствии с определением измеряется в единицах реактивности ( в а.е.р., % или долях от э). Совершенно очевидно, что на НКВ величина интегральной эффективности любого поглотителя – нулевая ( (Н=0) = 0).

Столь же ясно, что на ВКВ интегральная эффективность поглотителя максимальна. Эту величину принято называть физическим весом поглотителя. То есть физический вес подвижного поглотителя – это величина положительной реактивности, высвобождаемая при подъёме его от НКВ до ВКВ. Иначе говоря, физический вес стержня-поглотителя – это его интегральная эффективность на верхнем концевом выключателе.

Дифференциальной эффективностью подвижного поглотителя в рассматриваемом положении Н по высоте активной зоны называется величина положительной реактивности, высвобождаемой при подъёме его от заданного положения Н на единицу длины.

В больших активных зонах реакторов АЭС такой единицей длины служит 1 см; поэтому размерности дифференциальной эффективности Н = (d /dH) – 1/см, %/см илиэ/см. Дифференциальная эффективность поглотителей обозначается как производная реактивности по перемещению Н, поскольку каждое локальное её значение – есть не что иное как предел отношения изменения реактивности к изменению положения стержня-поглотителя:

	lim				d			(Н ),	(21.3.1)
		H 0	H		dH		Н

и в соответствии с этим очевидна взаимосвязь между интегральной и дифференциальной эффективностями поглотителя в любом положении Н:

	H	d
	(H )		dH,	(21.3.2)
		dH
	0

что и служит объяснением названиям величин соответствующих эффективностей Такой математический подход к локальным характеристикам эффективности

подвижных поглотителей подразумевает, что величины дифференциальной и интегральной эффективностей изменяются по высоте активной зоны, а также то, что существует единая аналитическая закономерность этих изменений, выражаемая функциями (Н) и d /dH. Для описания этой закономерности служит особый раздел теории реакторов, который называется теорией возмущений.

21.4. Эффективный радиус стержня-поглотителя

Из общей физики известны понятия чёрного тела и абсолютно чёрного тела.

Подобными понятиями оперирует и теория возмущений.

Поскольку в реальных энергетических реакторах все стержни-поглотители выполняются из материала, макросечение поглощения которого существенно больше среднего макросечения поглощения активной зоны

аст ааз ,

любой из них с полным основанием может называться чёрным стержнем, так как он полностью поглощает все попадающие в его объём нейтроны.

Идеальный поглощающий стержень из материала с бесконечно большим значением макросечения поглощения ( аст = ) называют абсолютно чёрным стержнем. В отличие от обычного чёрного стержня абсолютно чёрный стержень поглощает все падающие на него нейтроны своей поверхностью, и это понятно: так как макросечение поглощения материала стержня имеет бесконечно большую величину,

302	Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.

падающие на стержень нейтроны должны поглощаться таким материалом сразу же при непосредственном контакте с ним.

В соответствии с теорией возмущений любой реальный чёрный стержень может быть заменён эквивалентным абсолютно чёрным стержнем, имеющим радиус:

rэ = Rст – d ,

(21.4.1)

меньший радиуса реального чёрного стержня на некоторую величину d, называемую длиной линейной экстраполяции. Поводом для такого названия послужило то, что при большом макросечении поглощения материала чёрного стержня величина плотности потока тепловых нейтронов Ф(r) от поверхности вглубь стержня падает практически по линейному закону; поэтому, если допустить, что внутри стержня существует цилиндрическая поверхность r = rэ, на которой линейно экстраполированная величина Ф обращается в нуль, то эта поверхность как раз и ограничивает цилиндрический объём идеального стержня с бесконечными поглощающими свойствами радиусом rэ, который поглотил бы своей поверхностью все те нейтроны, которые поглощаются в объёме приповерхностного слоя реального стержня толщиной d (рис.21.3).

r

d

rэ

Rст

Рис.21.3. Иллюстрация к пояснению понятия эффективного радиуса стержня-поглотителя.

Этот радиус rэ иначе называют эффективным радиусом реального стержня-

поглотителя.

Величина длины линейной экстраполяции d определяется только поглощающими свойствами материала реального стержня (величиной макросечения аст).

В реакторах типа ВВЭР все подвижные поглотители имеют цилиндрическую форму, но вообще в энергетических реакторах используются стержневые поглотители и другой геометрии (рис.12.4).

Цилиндрический

Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.			303
Кольцевой	Крестообразный	Трилистник

Рис.12.4. Наиболее распространённые формы сечения поглощающих стержней в энергетических ядерных реакторах.

Для поглощающих стержней различной формы поперечного сечения существуют достаточно простые методики нахождения эффективного радиуса.

Таким образом, стержень любой формы поперечного сечения может быть заменён эквивалентным стержнем цилиндрической формы из того же реального материала, а последний – идеальным абсолютно чёрным цилиндрическим стержнем с радиусом rэ.

Такой (на первый взгляд усложнённый) подход в теории возмущений даёт возможность абстрагироваться от рассмотрения формы и поглощающих свойств материалов различных стержней, а оперировать только одной характеристикой стержня-поглотителя – его эффективным радиусом.

21.5. Физический вес центрального стержня-поглотителя полной длины

Стержень-поглотитель полной длины (часто называемый просто длинным стержнем) – это стержень-поглотитель с длиной, равной высоте активной зоны реактора.

В подавляющем большинстве энергетических реакторов используются цилиндрические стержни полной длины. Поэтому именно для таких стержней теория возмущений даёт полуэмпирическую формулу для величины физического веса однородного одиночного центрального (то есть перемещаемого по оси симметрии цилиндрической активной зоны) стержня:

	ц			7.5М 2
				аз			.	(21.5.1)
			R 2	ln(0.465	Rаз	)
			аз		rэ

Здесь: Маз2 = Lаз2 + аз, см2 – площадь миграции активной зоны; Rаз, см – радиус активной зоны;

rэ, см - эффективный радиус стержня-поглотителя.

То, что зависимость физического веса центрального стержня от его эффективного радиуса прямая (чем больше rэ – тем больше его физический вес), понятно: чем больше эффективный радиус, тем больше поверхность эквивалентного реальному абсолютно чёрного стержня, и тем больше тепловых нейтронов последний способен поглотить своей поверхностью. Отсюда - и увеличение степени воздействия стержня на реактор при его полном погружении в активную зону, выражаемого величиной физического веса стержня-поглотителя.

Обратная зависимость физического веса от радиуса активной зоны тоже понятна: один и тот же стержень-поглотитель на активную зону малых размеров воздействует значительно сильнее, чем на активную зону больших размеров. Отсюда следует, что физический вес одного и того же стержня-поглотителя в разных по размерам реакторах различен. Это напоминает ситуацию с вытеснением из полностью наполненных вёдер воды при погружении в них одного и того же стержня: хотя из ведра большого диаметра выльется ровно столько же воды, сколько из ведра малого диаметра, но относительная доля вылившейся воды из большого ведра будет меньшей, чем из малого.

И, наконец, прямая пропорциональная зависимость физического веса стержня от площади миграции активной зоны. Площадь миграции Маз2 – это характеристика

прозрачности активной зоны для всех нейтронов (и тепловых, и эпитепловых): чем больше величина площади миграции нейтронов в активной зоне, тем прозрачнее активная зона для нейтронов, тем ниже величина вероятности избежания утечки

304	Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.

нейтронов из активной зоны. Поэтому введение одного и того же поглотителя в более прозрачную для нейтронов активную зону сильнее увеличивает поглощающие свойства активной зоны, чем введение его в менее прозрачную активную зону; следовательно, большая часть нейтронов будет поглощаться в активной зоне, а меньшая – утекать из активной зоны, причём, относительное увеличение поглощения нейтронов будет выше, чем относительное уменьшение утечки, что и приводит к общему увеличению степени воздействия стержня поглотителя на размножающие свойства активной зоны, а, значит, - к увеличению физического веса стержня.

Отсюда, между прочим, следует важный для эксплуатационника вывод:

Физический вес стержня-поглотителя в разогретом реакторе больше, чем физический вес его в холодном реакторе.

Так как и длина диффузии и возраст тепловых нейтронов с ростом температуры активной зоны растут, то растёт и площадь миграции нейтронов в активной зоне, а, значит, - и физический вес подвижного поглотителя.

Но самым, пожалуй, важным выводом, который следует из рассмотрения формулы для физического веса центрального поглотителя, является вывод о том, что

величина физического веса не зависит от величины средней плотности потока тепловых нейтронов в активной зоне (Ф), а, значит, - не зависит и от уровня мощности, на котором работает реактор. В самом деле, в формуле (21.5.1) ничто,

связанное с плотностью потока нейтронов или мощностью реактора не фигурирует.

При всей своей логической противоречивости этот вывод теории возмущений является одним из её достоинств, поскольку позволяет объяснять наблюдаемое в действительности наиболее простым образом.

21.6. Физический вес нецентрального подвижного поглотителя

Опыт свидетельствует, что один и тот же подвижный поглотитель, имеющий при размещении на оси симметрии данного реактора определённый физический вес ст0, будучи перемещённый на некоторое расстояние r от оси реактора, изменяет величину физического веса. Теория возмущений позволяет по известному ст0 находить величину физического веса стержня при произвольном его размещении в активной зоне, руководствуясь следующим правилом:

При параллельном переносе стержня-поглотителя от центра к периферии активной зоны его физический вес изменяется пропорционально среднему квадрату плотности потока тепловых нейтронов в той области невозмущённой активной зоны, которую он занимает.

Термин «невозмущённая» подразумевает, что имеется в виду величина среднего квадрата плотности потока тепловых нейтронов в том распределении плотности потока тепловых нейтронов по высоте активной зоны Ф(Н), которое имеет место без введённого в неё стержня. То есть, если невозмущённое распределение плотности потока тепловых нейтронов по оси активной зоны Фо(Н), а невозмущённое распределение этой величины на вертикали, отстоящей от оси симметрии на расстоянии r, - Фr(Н), то в соответствии с правилом:

r				Фr2 (H )				.
ст		ст 0 Ф			2		(Н )
					0

Подставляя сюда средние значения квадратов плотности потока тепловых нейтронов в их распределениях по высоте, получаем:

Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.

305

1

Н аз

Н аз

0

Фr2 (H )dH

Фr2 (H )dH

H аз

r

0

.

(21.6.1)

ст 0

Н

ст 0

H

ст

1

аз

аз

Ф02 (Н )dH

Ф02 (Н )dH

H аз

0

0

Фо(Н)

Фr(H)

0

Rаз r

r

Рис.21.4. Пояснение к понятию физического веса нецентрального стержня-поглотителя.

То есть, поскольку средняя величина плотности потока нейтронов в их распределении по высоте активной зоны определяется характером этого распределения, то и величина физического веса нецентрального стержня также зависит от характера распределения плотности потока тепловых нейтронов по высоте активной зоны.

21.7. Характеристики поглотителей – кривые интегральной и дифференциальной эффективности

При изменении степени погружения стержня-поглотителя в активную зону его эффективность меняется. Закономерность изменения эффективности поглотителя с высотой определяется следующим правилом теории возмущений:

При частичном погружении однородного стержня-поглотителя в активную зону его дифференциальная эффективность изменяется пропорционально квадрату плотности потока тепловых нейтронов в том месте невозмущённой активной зоны, где находится нижний конец стержня.

В стационарной невозмущённой активной зоне на любой её вертикали до введения в неё стержня устанавливается строго определённое распределение плотности потока тепловых нейтронов Фr(Н). Этому распределению соответствует столь же строго определённое распределение квадрата плотности потока тепловых нейтронов

по высоте на рассматриваемой вертикали Фr2(Н).

Из правила следует, что величина дифференциальной эффективности стержняпоглотителя пропорционально отслеживает по высоте активной зоны локальную

306 Тема 21. Эффективность стержня-поглотителя и их группы.

величину квадрата плотности потока тепловых нейтронов. Поэтому график изменения дифференциальной эффективности поглотителя по высоте активной зоны d /dH =

н(Н) = f(H), кратко называемый кривой дифференциальной эффективности поглотителя, формально выглядит для стержня полной длины как график распределения квадрата плотности потока тепловых нейтронов по высоте активной зоны, выполненный по оси ординат в другом масштабе.

н = d dH

0			Н
(НКВ)	Н*	Hаз(ВКВ)
сп(Н)

Физический вес поглотителя

Н

НКВ

Н*

ВКВ

Рис.21.5. Иллюстрация закономерности изменения величин дифференциальной и интегральной эффективности однородного стержня-поглотителя полной длины по высоте активной зоны.

Поскольку в нижней и верхних частях активной зоны величины плотности потока тепловых нейтронов невелики, небольшой оказывается и величина дифференциальной эффективности стержня в этих областях; в центре активной зоны (или вблизи его при несимметричном распределении Ф(Н)), где величины плотности потока тепловых нейтронов имеют наибольшие значения, наибольшей оказывается и дифференциальная эффективность поглотителя (рис.21.5).

Кривая интегральной эффективности поглотителя может быть просто

перестроена по известной кривой дифференциальной эффективности, поскольку, как отмечалось выше, величина интегральной эффективности любого поглотителя в любом положении Н представляет собой интеграл функции дифференциальной эффективности в пределах от низа активной зоны до данного положения. В соответствии с этим переменный угол наклона касательной к графику функции (Н) в верхней и нижней частях активной зоны мал, а в центре активной зоны, где величина плотности потока тепловых нейтронов максимальна, - максимален и угол наклона касательной. Более того, точка максимума Н* на кривой дифференциальной